基于FPGA的VME總線和CAN總線之間的傳輸轉換方案設計

為了擴展VME總線和CAN總線的應用范圍，充分利用兩種總線的不同傳輸特點，采用了模塊設計方法，提出一種基于FPGA和MCU的總線轉換方案。該方案給出了FPGA與上位VME總線部分的VME總線接口設計，利用MCU控制CPLD擴展的多通道CAN節點完成CAN總線部分的設計，還給出軟件實現上的重點、難點和流程。實現了兩種不同總線的轉換，滿足了工業環境對兩種總線混合使用的要求。

CAN（Controller Area Network控制器局域網）以其高性能、高可靠性以及獨特的設計等優點，為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的支持。CAN總線突出的可靠性、實時性和靈活性顯示了它突出的優勢，成為公認的最有前途的總線標準，廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。VME（Versa Module Eurocard）是一種通用的計算機總線，結合了Motorola公司Versa總線的電氣標準和在歐洲建立的Eurocard標準的機械形狀因子，是一種開放式架構。其獨特的緊密耦合（Closely coupled）硬件構架，為其外圍系統模塊的設計提供了良好的基礎，使VME總線廣泛地應用于工業控制、軍用系統、航空航天、交通運輸和醫療領域。

本文提出了基于FPGA的VME總線和CAN總線之間的傳輸轉換方案，滿足一些特殊工業環境的需要，具有一定的研究意義和實用價值。

1 轉換系統的硬件設計

該系統由VME總線接口模塊、CAN總線節點（8路CAN節點）模塊、復雜可編程邏輯器模塊、MCU模塊4部分核心模塊構成。整個系統在一個3U標準的VME板卡上實現，機構緊湊，布局合理。系統的原理框圖如圖1所示。

1.1 VME總線接口模塊

整個系統實現是兩種通信之間的轉換，所以數據的發送都是由上位主機發送的。由于FPGA控制靈活，所以很方便實現與VME總線的連接。文中FPGA器件選用XILINX公司的XC2S200系列的5PQ208，56Kb專用存儲器，最高運行速度200MHz，I/O電壓在3.3～5.5V，地址總線、數據總線，/AS，/IACKIN，/IACKOUT，SYS CLK等可以直接與5PQ208連接。

1.2 CAN總線節點模塊

CAN總線節點模塊是該系統中的主要模塊，選用Philips公司生產的SJA1000，它負責連接總線與8路CAN選通主控制器CPLD之間的數據通信，其整個系統功能如圖2所示。收發器選用P82C251T。CAN接口原理如圖3所示。

1.3 復雜可編程邏輯器件（CPLD）模塊

在系統中，由于FPGA的地址總線和數據總線是分開的，而SJA1000的地址和數據線是分時復用的，所以在總線接口上有一定差異，因此選用MAX3000系列可編程邏輯器件EPM3128來進行邏輯變換。該CPLD芯片有豐富的宏單元，80個用戶I/O管腳，管腳間延遲時間是10ns，最高速度可達100MHz，能夠滿足系統設計的需要?？删幊踢壿嬈骷谙到y中的功能為：轉換FPGA與CAN控制器SJA1000之間的地址總線和數據總線；通過對FPGA的地址線譯碼，擴展CAN控制節點的通道。

1.4 MCU處理器

由于CAN總線的最高傳輸速度是1Mb/s，所以該部分選取宏晶STC12C5A60S2，FLASH程序存儲器為56KB。SRAM為1280B，2個專用的UATR，豐富的CPU資源滿足作為下位機的CPU控制單元，主要完成兩種總線協議的轉換，負責將從FPGA過來的VME總線轉換成CAN總線格式，并傳輸到指定CAN節點；同時也將CPLD選通的CAN通道數據，轉換為FPGA能識別的VME總線格式，并在MCU中斷主機時，將數據反饋給VME主機。

2 轉換系統的軟件設計

2.1 軟件設計思路

由FPGA構建8個雙口RAM，8路CAN控制器通過這8個雙口RAM與上位VME總線主機進行數據通信，RAM口分別映射到VME總線主機內存地址和MCU存儲器空間中。系統數據傳輸采用MCU中斷主機（VME主機）和主機中斷MCU兩種方式，前者通過觸發主機外部中斷實現，由雙口RAM里面的中斷控制來決定的，在觸發中斷后，提示主機讀取CAN控制器接收到的數據以及CAN控制器的工作狀態。主機中斷MCU方式是通過MCU的外部中斷管腳實現的，是由主機寫入雙口RAM的控制字實現的。觸發該中斷后，MCU就從主機接收要發送的報文，并發送到相應的CAN節點上，并配合主機配置CAN控制器的控制模式。中斷流程如圖4，圖5所示。

2.2 FPGA的軟件設計

在該系統中，數據都由VME主機控制，所以FPGA構造雙口RAM（或者8個區域即可），使VME主機和MCU在RAM中完成數據傳輸。即主機要發送的數據放入RAM中等待MCU提取，同時MCU發送的數據放入RAM中等待VME主機提取。

2.3 CAN節點軟件設計

CAN節點軟件是本系統的重點，它包括CAN控制器初始化、報文發送和報文接收3個部分。初始化主要完成設置工作方式、接收方式、屏蔽寄存器、驗收代碼寄存器、波特率和中斷寄存器，并且要在復位模式下進行初始化。初始化流程如圖6所示。

報文發送就是將代發的數據按照CAN總線協議的數據格式，組成一幀一幀的報文，送入SJA1000的發送緩沖區，觸發SJA1000發送即可；報文接收同理。

2.4 MCU轉換程序設計

微控制器程序設計的主要目的是以最快的速度響應中斷請求，完成兩種總線數據的轉換和傳輸。編程時采用模塊化思想，每個模塊完成一定的功能。編程采用Keil公司的Keil μVision3編程工具，設計分為：初始化系統、使能中斷、查詢總線，隨時準備響應MCU中斷主機（VME主機）和主機中斷MCU兩種中斷觸發，并且完成VME總線和CAN總線之間的重組和交換，及時將轉換后的信息相應地傳送給VME主機或者發送到CAN節點上。流程如圖7所示。

3 測試分析

測試過程由VME總線端和CAN總線端互相發送數據包。其中，測試了5組由VME總線發送到CAN總線的數據包；5組由CAN總線發送到VME總線的數據包，記錄如表1所示。由表1測試結果所示，該系統中CAN總線節點都設置在1Mb/s的速率下，系統可以準確地接受和發送數據包。系統正確率之所以會隨通信速度的提高而提高，主要原因在于系統在不同的通信速度時，數據包發送頻率、發送的最小延時間隔都不相同。如果需要進一步的提升數據發送的正確率，需要系統在硬件設計和PCB板制作上分別努力，才能保證盡可能小的干擾，盡可能大的提高系統的穩定性和抗干擾性。

4 結語

該系統充分利用了VME總線和CAN總線的優點，在FPGA和MCU的基礎上實現相應的電路的連接和軟件的設計，成功地完成兩種不同總線之間的轉換，擴展了兩種總線的應用范圍。